【摘要】：研究坡面薄層流水動力學(xué)特性是研究水力侵蝕的基礎(chǔ)。然而由于流態(tài)的復(fù)雜性和觀測手段的限制,目前對坡面薄層流流速及結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識十分有限,對多因素交互影響下薄層流動力特性的變化尚未達(dá)成一致認(rèn)識。本文采用高頻粒子圖像測速系統(tǒng)(Particle Image Velocimetry,PIV),探討了縱垂面坡面薄層流的二維時均流速剖面特征,比較分析其與明渠水流的異同;進(jìn)一步探究了單株模擬植被上游對稱面的薄層流結(jié)構(gòu)特征。通過開展人工模擬降雨試驗,系統(tǒng)研究了地表粗糙度、模擬降雨、模擬植被影響下的坡面薄層流水動力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,并比較了坡面薄層流總阻力與各個阻力分量之間的關(guān)系。主要結(jié)論如下:1、由雷諾應(yīng)力分布擬合得到的摩阻流速u*可有效用于坡面薄層流流速剖面及特征參數(shù)的估算,據(jù)此,流速剖面可劃分為受粘性應(yīng)力影響的內(nèi)區(qū)及受雷諾應(yīng)力影響的外區(qū),且內(nèi)外區(qū)的界線可變。從床面至水面的流速特征,可劃分為4個亞區(qū):粘性底層、緩沖層、對數(shù)區(qū)及半深度區(qū)。根據(jù)內(nèi)外區(qū)界限位置y/H,積分常熟C和阻尼系數(shù)A的性質(zhì),得到本實驗條件下薄層流區(qū)分于明渠流的水深臨界值為1.8 cm;2、提取單株模擬植物上游薄層行近流的時均和瞬時流速特征,通過概率密度函數(shù)的曲線特征發(fā)現(xiàn)薄層流中的兩種流動狀態(tài),即回流和下降流,其中下降流由于薄層流動量較小而不能穿過緊貼床面的渦旋,從而直接沖擊床面形成,因而本文認(rèn)為其為存在于薄層流的特殊流動模式。觀測并分析時均流場的馬蹄渦(Horseshore Vortex,HV)結(jié)構(gòu)特征,闡明其隨柱體雷諾數(shù)(ReD)變化而呈現(xiàn)3個階段的運動狀態(tài)變化,同時驗證了地表粗糙度對HV的顯著性影響;3、通過開展人工模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn),坡面薄層流阻力系數(shù)與地表粗糙度呈正比關(guān)系,與雷諾數(shù)Re、雨強(qiáng)呈反比例關(guān)系,隨著雨強(qiáng)的增加阻力系數(shù)減小,降雨具有“減阻”的效果。當(dāng)坡面有植被時,坡面流阻力系數(shù)與Re之間呈正相關(guān),而對于裸坡兩者呈負(fù)相關(guān)。通過配對t檢驗表明顆粒阻力與降雨阻力,顆粒阻力與植被阻力線性疊加結(jié)果顯著小于總阻力,證明線性疊加原理不適用于坡面流阻力的計算中;4、分析了植被的蓋度與空間格局對坡面薄層流的影響,蓋度對坡面薄層流的影響大于植被空間格局對坡面薄層流的影響,隨著坡度的增加植被空間格局的作用逐漸減小。當(dāng)蓋度一定時,空間均勻分布(角尺度為0)格局對坡面薄層流產(chǎn)生的阻力最大。以上研究成果可為土壤侵蝕機(jī)理奠定理論基礎(chǔ),同時,為森林經(jīng)理提供一定的技術(shù)支持。
【圖文】：

１．２．３．２明渠繞流柱體逡逑明渠繞流圓柱體是常見的流動模型，具有較為廣泛的應(yīng)用，例如涉水工程中的橋逡逑墩繞流、碼頭高|�、海洋立管等问题。詡}屏魘薔淞魈辶ρе泄爬隙指叢擁奈叔義咸猓茉倉某嘰緙靶巫礎(chǔ)⒗戳韉睦著凳�、床脣z植詼鵲榷嘁蛩賾跋�。峨s詮饣倉義咸逶詮饣矯嬪系娜屏魑侍餑殼把繡辰瞎�。当水流曲X倉迨�，受到来自詡}宓膩義夏嫜固荻攘Φ淖饔�，水流蛀[ゼ跛�，水面抬升并栽燂到詡}迨斃緯芍凡�，，靠近柱辶x咸宥瞬糠至魈宄裁嬖碩蟶嫌位亓鰨肜戳饜緯晌行�，因笁粜旋的X碩旒＠噱義纖樸諑硤閾味浦硤鬮校ǎ齲鄭�。諒T┫窒蠖際塹湫偷腦倉屏髦猩嫌味瞬南噱義細(xì)山峁梗ǎ牽潁幔駑澹幔睿溴澹桑螅簦椋幔潁簦錚澹玻埃埃玻Ｎ行哂薪洗蟮募羥辛χ率怪寤坎植砍逅�、辶x锨質(zhì)矗ǎ耍幔椋潁錚酰幔睿洌遙幔瑁幔椋澹玻埃埃擔(dān)�，熏F(xiàn)氐奶褪醋饔蒙踔粱岵哦盞乃鷙�，造成熏F(xiàn)劐義系木盟鶚�。峨s詒〔懔魅屏髦宥�，ｚｅｎ＠`＃幔澹ǎ玻埃保罰┑氖到峁礱髟謚邋義锨岸巳源嬖詰湫偷穆硤鬮�，并对基部产生局矚べ|(zhì)礎(chǔ)Ｈ歡殼盎瓜視惺匝檠繡車謀ㄥ義系饋Ｇ潮〔懔魅屏髟倉迥Ｐ統(tǒng)＜諍影斷浯�、琴|(zhì)垂�、坡面漫琉嫗V魅浦脖輝隋義隙愿盟魈跫輪邇岸寺硤鬮械難繡塵哂兄匾目蒲б庖�。辶x

本文編號：2613242